随着贸易紧张局势的升级以及对国家安全问题关切的持续增长,美国正在制定新的战略,以防止其在半导体制造领域进一步落后于韩国、中国台湾地区甚至中国大陆。

 

多年来,美国一直是 GPU 和微处理器等新芯片产品开发上的领头羊。但是,从芯片制造的角度来看,美国正在两个关键领域失去优势。首先,以英特尔为首的美国芯片代工厂商在工艺技术方面落后于其亚洲竞争对手台积电三星,甚至中国大陆地区的芯片制造商也在不断拉近距离。其次,美国的新晶圆厂开工数量和产能都在急剧下降。

 

当然,美国也是制造大国,并不是在所有制造领域都落后。但是,从供应链、经济以及安全考虑出发,芯片制造对于保持一个国家的技术领先地位至关重要。

 

多年来,美国公司一直在开发并在自家晶圆厂中制造新芯片产品上处于领跑地位,直到 2011 年英特尔推出首批 22nm finFET 时,美国还保持着在工艺技术上的领先地位,这是芯片性能不断提升的关键要素,每一代新工艺都可以使器件尺寸更小,速度更快。

 

但是,属于美国人的时代已经过去了。现如今,工艺技术方面出现了令美国警醒的发展趋势:“长期以来,我们一直在半导体制造领域失去领导地位,”西门子业务部 Mentor 的首席执行官 Wally Rhines 说。“更重要的是提供先进代工服务能力的领导地位,而不仅仅是制造。”

 

这是一个涉及到多个方面的复杂问题。例如,美国本来就已经在工艺技术上落后于竞争对手了,现在,其领头羊英特尔又推迟了其最新工艺的发布,导致它进一步落后于台积电和三星。

 

尽管英特尔发誓要解决工艺问题并重新走上追赶先进工艺的正轨,但这对国家安全产生了影响。对于美国国防部和军事 / 航空航天公司以及企业竞争力而言,在美国本土拥有先进工艺至关重要。半导体顾问公司总裁罗伯特·梅尔(Robert Maire)在最近的一次演讲中表示:“您主导了芯片,就能主导国防、技术和情报行业。显然,这与美国的全球霸权息息相关。美国之所以在这个世界上占据主导地位,原因之一就是我们的技术,而技术又深深扎根于半导体行业。”

 

不仅是工艺水平的落后,芯片制造商在美国建造新晶圆厂的速度也低于其亚洲竞争对手。根据美国半导体工业协会(SIA)和波士顿咨询集团(BCG)的数据,美国在全球晶圆厂产能中的份额已从 1990 年的 37%下降到 2020 年的 12%。在同一时期,亚洲的新晶圆厂发展迅速,目前已占到全球产能的 80%。

 

特别是中国,其半导体发展计划非常雄心勃勃。在 1500 亿美元的资金支持下,中国正在发展其国内 IC 产业,并计划在本土制造更多自己的芯片。更糟的是,包括中国、香港和台湾在内的大中华区是一个地缘政治热点,中美贸易战加剧了当今所有领先工艺技术所处地区的紧张局势。任何变故都将对美国获得领先的工艺技术产生重大影响。


 
图 1:全球半导体制造产能份额

 

美国的政策制定者意识到,有必要在国内建造更多的芯片制造厂,但是,这个工作的代价非常高昂。要建设一家先进工艺的晶圆厂,投资规模在 100 亿至 200 亿美元之间,而且无法保证投资就能产生回报。另一方面,尽管芯片制造至关重要,但是,制造本身只是芯片竞争大局中的一小部分。总部位于美国的公司在芯片设计、特殊工艺、EDA 工具和晶圆厂设备方面仍然处于领先地位。

 

尽管如此,美国政府依然在采取措施以增强美国在各个方面的竞争力。其中包括:

 

国会提出了一项激励在美国本土建造新晶圆厂的计划;
美国希望建立一个芯片联盟;
格罗方德和英特尔正在升级他们的工艺,台积电则计划在美国建立一个新的高端工艺晶圆厂。
英特尔已经成立了一个新的商业实体,以开发基于 chiplet 的设计。将芯片集成在高级封装中的 chiplet 正在成为美国在芯片行业保持竞争力的另一种方式。


美国想要建设更多本土晶圆厂


集成电路行业的竞争一直非常激烈,不仅有多家公司在众多不同的市场中竞争,同时,国家之间也在几个不同的技术领域存在竞争。例如,在技术上,各个国家都在争夺 5G、人工智能和量子计算的霸主地位。中国雄心勃勃的芯片发展规划更是点燃了全球半导体竞争的烈火。

 

几十年来,IC 行业的发展一直遵循摩尔定律,该定律指出,芯片中的晶体管密度每 18 到 24 个月就会翻一番。当今的芯片在单个器件中集成了数十亿个晶体管。“晶体管本质上是一个开关,” Lam Research 大学项目主管 Nerissa Draeger 在博客中解释道。“场效应晶体管使用电场来控制通过沟道的电导率。”

 

因此,在过去的半个世纪中,芯片制造商一直遵循摩尔定律,这使他们能够将更多功能集成到单个芯片上。这推动了手机、计算机和其他产品的发展。

 

但是,在半导体行业发展的初期,芯片技术还很初级。1965 年,当戈登·摩尔发表他标志性的摩尔定律时,芯片是在 1.25 英寸(30mm)晶圆上生产的。当时,建造一家晶圆厂的成本为 100 万美元。

 

在随后的几十年中,大多数芯片厂商都在自家的制造工厂中制造芯片,而且,随着时间的推移,它们也转向了更大的晶圆尺寸。通过转向更大的晶圆尺寸,每片晶圆上生产的芯片数量提升了 2.2 倍,从而可以帮助降低制造成本。但是,更大的晶圆也意味着需要更大的晶圆厂和更昂贵的设备。

 

随着时间的流逝,半导体需求激增,芯片制造和工艺成本也急剧上升。从 2000 年代开始,芯片制造商从 200 毫米晶圆厂过渡到现代的 300 毫米晶圆厂。最初,建造一家 300 毫米晶圆厂的成本为 20 亿美元,而 200 毫米晶圆厂的成本为 7 亿至 13 亿美元。

 

根据 IBS 的数据,在 2001 年,有 18 家芯片公司拥有可以生产 130nm 芯片的晶圆厂,这在当时是最先进的工艺。

 

然后,突然之间,事情发生了变化。那时,亚洲和其他地区出现了几家芯片代工厂,它们专门为外部客户提供芯片制造服务。

 

代工模式是在 2000 年代开始兴起的。从那时起,无晶圆厂设计公司开始委托代工厂生产芯片。 SIA 和 BCG 的论文称:“半导体行业已经看到了无晶圆厂模式的兴起。” 

 

在此期间,美国和其他地区的许多芯片制造商不再有能力开发新的晶圆厂和工艺。作为回应,一些芯片制造商选择了 fab-lite 模式。在这种模式下,供应商在自己的晶圆厂中生产一些芯片,同时将其他芯片外包给代工厂。有些公司则完全退出了晶圆厂业务。

 

但是,英特尔和其他公司保留了自己的晶圆厂,它们声称这给了他们竞争优势。

 

但是,随着时间的流逝,芯片制造的重心转移到了亚洲。早期,几个亚洲国家通过减税和激励措施来支持其国内芯片公司,这推动了中国大陆、韩国、中国台湾地区和新加坡晶圆厂的繁荣。SIA 和 BCG 的论文称:“政府政策一直是亚洲强劲增长的主要因素。”

 

这些投资带来了丰厚的回报。台湾是全球晶圆厂产能的领导者,到 2020 年将占有 22%的份额,其次是韩国(21%)、日本(15%)、中国大陆(15%)、美国(12%)和欧洲(根据 SIA 和 BCG 的统计,欧洲的数字为 9%)。

 

不过,中国大陆是最值得关注的地区,它正在以补贴的形式向其国内芯片设计和制造行业注资数十亿美元。据 SIA 和 BCG 称,中国晶圆厂产能的份额将从 2000 年的 3%跃升至 2020 年的 15%,超过美国。

 

中国大陆现在的工艺依然落后,但它正在积极追赶。D2S 首席产品官 Leo Pang 说:“中国正在建设中的新晶圆厂就多达十二个。然而,中国仍然面临许多挑战,包括半导体制造领域需要更多人才和知识产权,以及进一步缩小与领先工艺技术之间的差距的需求。”

 

在中国持续扩张晶圆厂产能的同时,美国却陷入了停滞不前。根据 SEMI 的数据,到 2020 年,美洲地区共有 76 个芯片制造工厂,而这一数字在 2010 年时为 81 个。 “这包括来自三星、恩智浦、英飞凌、X-Fab、Tower、台积电和博通等非美国公司在美国的晶圆厂制造能力。 SEMI 的分析师 Christian Dieseldorff 说。

 

Dieseldorff 说,如果不包括非美国公司的晶圆厂,美国的晶圆厂产能份额将下降到 10%。


据 SEMI 称,美国目前正在建设中的一些新晶圆厂项目包括:


Cree:碳化硅器件(纽约)
格罗方德:代工厂(纽约)
英特尔:逻辑器件(俄勒冈州)
德州仪器:模拟器件(德州)
台积电:代工厂(亚利桑那州)

 

展望未来,美国希望为国家安全和供应链安全而建造更多的晶圆厂。SIA 总裁兼首席执行官约翰·诺弗(John Neuffer)表示:“随着全球竞争对手进行大量投资以吸引先进的半导体制造技术,美国必须参与其中,并使我们的国家在这一具有战略意义的技术方面更具竞争力。 过去 30 年来,美国在全球半导体制造业中所占的百分比急剧下降,主要是因为其他国家 / 地区提供了大规模的政府激励措施,而美国却没有。在这三十年中,美国政府对半导体研究的投资占 GDP 的比重没有多少变化,这种投资规模目前仅占美国半导体公司投入的研发投资(2019 年的研发投资总额接近 400 亿美元)的一小部分。美国现在有机会真正扭转这种趋势,并促进国内芯片制造和研究的发展,这将加强美国芯片技术、国家经济发展、国家安全、供应链弹性以及对未来这种大流行危机的反应。”

 

美国现在提出了一些解决方案,其中包括美国国会拟议的一条法案。这项名为《为美国半导体制造制定有用的激励措施》(CHIPS)法案要求为新的联邦拨款计划提供 100 亿美元,这将激励人们在美国本土建造新的晶圆厂,它还包括投资税收抵免。总的来说,这是一项 220 亿美元的计划。

 

不过,时至今日,该法案仍然滞留在国会尚未通过,而且目前尚不清楚该法案是否会通过。另外,资金实在太少了,太迟了。据 SIA 和 BCG 称,要提高竞争力,美国半导体行业需要一项 500 亿美元的激励计划,即便是这个数字,可能也不够。

 

这些钱建不了几个晶圆厂。例如,台积电(TSMC)正在台湾投资 195 亿美元,为其 3nm 工艺建造一个 300mm 晶圆厂。

 

另外,在美国建造新晶圆厂的成本比亚洲还要昂贵。而其他国家则提供了更好的激励措施。因此,尽管英特尔正在扩大其在亚利桑那州的新 Fab 42 工厂,但由于其它国家能提供更好的激励措施,它还计划在爱尔兰和以色列建立新工厂。

 

但是,英特尔等公司认为 CHIPS 法案是一个良好的开端,并且需要采取一种或多种形式的激励措施。英特尔政策与技术事务组织副总裁格雷格·斯莱特(Greg Slater)说:“目前,我们美国在半导体制造市场的份额为 12%。在未来十年内,这一数字可能会降至 10%以下。除非我们通过政府激励措施扭转这种局面,否则这种情况将继续下去。”

 

事情没那么简单。“美国可以通过补贴的方式使其晶圆厂产能份额超过 12%,但这对整个行业有好处吗?” Semico Research 的分析师 Adrienne Downey 问。 “在过去的 5 至 10 年中,该行业在产能管理方面一直做得很好。内存市场就是一个很好的例子。有效地管理产能意味着更稳定的 ASP / 收入。过去,通过补贴建设的晶圆厂造成了产能失衡。”

 

还有一些其他的问题。“当今行业中,几乎没有公司可以投资 200 亿美元建设一座晶圆厂。台积电能做到这一点,是因为它们拥有数百个客户和数千种产品。仅增加产能并不能保证在该行业的成功地位。”Downey 说。

 

无论如何,如果美国在半导体制造中不采取行动,将会带来经济层面的后果。

Mentor 的 Rhines 说:“这意味着新技术和创新的增长将逐步转移到其它地区,中国最近的风险投资规模比美国大,但要赶上美国还需要一段时间。问题是,即使联邦政府的补贴能够抵消掉风险投资的下降,技术创新也会趋于消失。这意味着终端设备创新也将逐渐消失。这意味着经济和就业增长将放缓。”


工艺竞赛


美国的芯片制造商在 III-V,模拟和 RF 等特殊工艺中占有一席之地。美国在 28nm / 22nm 及以上的成熟逻辑工艺中实力很强。 Semico 公司的 Downey 说:“美国仍然有一批仍在美国制造的成熟产品。在大多数电子设备中,每一个领先的芯片都需要至少配套 5-10 颗成熟的芯片。 Qorvo、安森美、恩智浦、ADI、博通、Skyworks 和 Microchip 等公司都在美国设有晶圆厂。SkyWater 是代工厂通过提供创新选择并帮助开发新解决方案重获新生的一个例子。”

 

但是美国在领先的逻辑 / 制造工艺落后于其它地区。这是最近十年才发生的,多年来,英特尔一直是制程技术的领导者。如前所述,在 2001 年,有 18 家芯片制造商可以处理尖端的 130nm 芯片。

 

随着时间的流逝,工艺成本不断上升,越来越少的参与者可以负担得起在高级节点上开发先进工艺的能力了。

 

最大的变化发生在 20nm 时,当时的传统平面晶体管走到了极限。作为回应,英特尔在 2011 年在 22nm 上转向了下一代 finFET 晶体管。代工厂转移到 16nm / 14nm 的 finFET。 (英特尔的 22 纳米相当于代工厂的 16 纳米 /14 纳米。)


 
图 2:FinFET 和平面型工艺

 

FinFET 以较低的功率提供了更高的性能,但制造起来也更困难,更昂贵。 TEL America 副总裁兼副总经理 Ben Rathsack 表示:“这是由于制造该设备所需的工艺步骤数量较多所致。”

 

FinFETs 也缩小了芯片制造公司的圈子只有六家代工厂 / IDM 拥有迁移到 16nm / 14nm 的 finFET 的资源。这些供应商包括格罗方德、英特尔、三星、台积电和联电。中国的中芯国际最近进入了 14nm finFET 市场。

 

英特尔希望在 2016 年推出 10nm finFET 工艺来扩大其逻辑工艺的领先地位。但是,由于各种原因,英特尔两次推迟了 10nm 的生产,并最终在 2019 年基于该工艺推出了处理器 - 比预期晚了大约两年。

 

在英特尔 10 纳米技术两度延迟的同时,台积电在 2018 年初推出了全球首个 7 纳米 finFET 工艺,在工艺上超过了英特尔。后来,三星也推出了 7nm。(英特尔的 10nm 大约相当于代工厂的 7nm。)

 

这种变化很重要,有以下几个原因。一直以来,英特尔都是芯片制造业务中的佼佼者,它并没有直接与台积电竞争。但是,台积电为 AMD 和英伟达等英特尔的竞争对手们提供代工服务。因此,英特尔的竞争对手突然在工艺技术领域把英特尔甩在了身后。

 

还有一些其他的变化。2018 年,格罗方德和联电均停止了各自在 7nm 上的努力。7nm 的开发需要巨额投资,两家供应商均对能否收回投资表示。现在,这两家公司仍活跃于 16nm / 14nm 及以上成熟工艺上。

 

尽管如此,7 纳米技术将高端制造圈缩小到三家公司:英特尔,三星和台积电。但是随后,情况再次发生了变化。

 

2020 年初,台积电和三星开始出货 5nm,而英特尔推迟了 7 纳米制程,使其进一步落后于其两个竞争对手。来自中国的中芯国际正在开发类似 7nm 的工艺。最近,中芯国际从中国 IP 提供商 Innosilicon 处获得了首个用于类似 7nm 工艺的流片。

 

半导体顾问公司的 Maire 说:“现在看来,英特尔的 7 纳米至少要延迟六个月甚至是一年。英特尔和台积电已经不是并驾齐驱了,现在的英特尔显然落后于台积电。格罗方德则停留在了 14 纳米。因此,我们美国真的没有可以快速发展的代工厂或 IDM 了。”

 

不过,美国并没有真的停滞不前。英特尔发誓将解决工艺问题,并终将发布 7nm。它还在考虑一项计划,将其部分 7nm 生产外包给代工厂。

 

然后,为了重新夺回自己的优势,英特尔希望建立一个美国芯片联盟。作为计划的一部分,英特尔建议在美国政府的支持下运营一家美国代工厂。目前尚不清楚该计划是否会生效。

 

最近,格罗方德为其位于纽约州的 300 毫米晶圆厂申请到了新土地。“随着对国家资本投资半导体制造的共识日增,比以往任何时候都更重要的是,我们准备在格罗方德美国最先进的制造工厂中快速实施我们的增长计划。”格罗方德高级副总裁兼总经理 Ron Sampson 说。 

 

台积电可能是美国的真正希望,台积电计划在亚利桑那州建立一个新的尖端的 5nm 晶圆厂。该晶圆厂计划于 2024 年投产。

 

不过,目前尚不清楚美国是否可以重新获得其在工艺技术方面的竞争力,也不清楚哪家公司将成为美国代工业务的领导者。

 

“我们可能在所有半导体制造领域都落后了。但是,这种落后我们可以在相对较短的时间内赶上去。” Mentor 的 Rhines 说。 “在晶圆代工方面,我们将不得不依靠格罗方德或者台积电在美国的业务,政府也可能倾向于英特尔。但是,即使您可以在美国把代工服务搞得很好,但如果您不能将产品销售给世界上最大的客户(中国),那的确对您也没有太大帮助。”

 

chiplet 的时代


展望未来,来自不同国家的几家公司将继续参与芯片制造工艺竞赛。但是,这不是保持竞争力的唯一方法。

 

通常,为了提高性能,业界通过芯片尺寸缩减来开发 ASIC,以将不同的功能集成到单个单芯片上。但是,现在的节点升级正越来越困难且昂贵,而且,仅仅通过工艺升级所获得的功率和性能收益正在减少。7nm 以下的每一代新节点可能会把性能提高约 10%至 20%,但是,架构更改、专用加速器和硬件软件协同设计带来的性能提升可能会高达 10 倍至 1,000 倍。

 

而且,并非所有芯片类型都受益于工艺尺寸的缩减。数字逻辑器件当然可以,模拟组件则不能。因此,整个行业正在将复杂的芯片封装在高级封装中,而不是将所有组件都缩减工艺尺寸并放进单个裸片上。

 

如今,来自多个国家的公司、代工厂和 OSAT 都在追求 chiplet 战略,即芯片制造商可以使用库中的模块化芯片或小芯片,并将它们集成到现有的高级封装或新架构中。

 

AMD、英特尔和其他公司已经开发出类似的芯片设计,可以以更低的成本追上或超越 ASIC 的功能。但是,随着第三方开发出越来越多供销售的的 chiplet 并跨多个市场销售,在边缘计算等新领域争夺市场主导地位的竞争已迫在眉睫。

 

chiplet 的发展势头在持续增强。例如,英特尔已经获得来自美国国防部的 chiplet 研发新合同,称为最新异构集成原型(SHIP)计划。根据该计划,英特尔围绕 chiplet 建立了一个新的美国商业实体,包括国防部和国防行业的客户可以使用英特尔的先进封装能力。

 

国防部研究与工程副部长办公室微电子首席总监妮可·佩塔(Nicole Petta)表示:“路线图确定了优先事项,并意识到随着制程规模的放慢,异构组装技术对于国防部和我们国家都是至关重要的投资。”


结论


芯片行业竞争力的定义变得越来越复杂了,工艺的提升将继续至关重要,但是,高级封装技术也变得越来越重要。

 

来自不同国家的公司将需要同时发展制造工艺和高级封装技术。这反过来将推动新的增长。但是,从技术角度来看,美国仍有一些工作要做,问题是是否有实现这一目标的政治意愿,以及公司能否获得回报,到目前为止,答案尚不清楚。

 

作者:MARK LAPEDUS & ANN STEFFORA MUTSCHLER

编译:与非网